(57)【要約】  【課題】  商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供すること。  【解決手段】  直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする電力変換装置。  【選択図】  図１
2006311652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の定格電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の実際に出力した電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば太陽電池や風力発電、燃料電池などの直流電源と商用電力系統とを連系させるための電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図７に示すように、系統連系システムＪは太陽電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置５を介して、商用電力系統である低圧配電線３に柱上トランス３１を介して接続されて成る。各系統連系システムには、負荷４が接続されている。
【０００３】
このような系統連系システムＪを低圧配電線３に連系させる際に、この系統連系システムＪの不具合が原因で低圧配電線３に障害（例えば停電など）が発生するようなことがあると、一般の需要家は大きな迷惑を受けることになる。系統連系システムＪの故障に対しては、この影響を連系系統に波及させないために、系統連系システムを即時に電力系統と解列しなければならない。そこでこのような不具合が発生しないように、系統連系システムＪには各種の制約が課せられている。その制約のひとつに、低圧配電線３への直流分電流の流出抑制がある。すなわち、資源エネルギー庁通達「系統連系技術要件ガイドライン」の内容を具体的に示した民間の自主規格である「分散型電源系統連系技術指針」では、定格交流電流の１パーセント以下の直流分を０．５秒以内で直流分電流流出保護をするように定めている。
【０００４】
系統連系システムＪでは、直流を交流に変換する電力変換装置５を備えているが、この電力変換装置５が出力する交流電流には僅かながら直流分が存在する。
【０００５】
ここでいう直流分とは、正弦波の中心軸が上下方向どちらかに偏ったような上下非対称な交流の状態のものをいう。直流分がない交流電流の状態を図８（ａ）に、直流分が存在する交流電流の状態を図８（ｂ）に示す。
【０００６】
電力変換装置５からの出力に直流成分を持ったまま逆潮流を行なうと、この直流分が商用系統に流出し、柱状トランス３１の偏磁等の悪影響を起こす可能性がある。
【０００７】
直流分を存在させる原因のひとつとして、例えば、当該電力変換装置５を構成している正極側半導体スイッチ素子（図示せず）の動作時間や動作特性が、負極側半導体スイッチ素子（図示せず）のそれと僅かに異なることが挙げられる。前述の原因、または別の事項が原因で電力変換装置５の出力交流電流に規定以上の直流分が含まれてしまうことがあるから、前述の技術指針に基づいて、直流分電流を検出して、直流分電流の流出保護をする。（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平０８−１４９８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来の系統連系システムでは、太陽電池を用いた太陽光発電システムを例にすると、通常、住宅の屋根などに設置される太陽電池モジュールを、様々な屋根形状に応じて複数枚を直並列に組み合わせたものを直流電源として電力変換装置で制御を行なっている。太陽電池モジュールの直並列には様々な組み合わせがあるため、コスト面から直流電源の容量に対して余裕のある電力変換装置を用意しておき、このような電力変換装置１台による制御を行なっている。
【０００９】
このような系統連系システムを商用電力系統に連系させる場合、連系できるシステム数は、保護協調の観点から、柱上トランスの容量によって制限を受けることになる。すなわち、ひとつの柱上トランスに連系される電力変換装置の定格容量の総和に依存するということであり、柱上トランスに連系される電力変換装置の定格容量により、直流分流出電流の総量が決まることになる。
【００１０】
前述の状況から、一般的に、連系される電力変換装置の総容量  ＞  連系される直流電源の総容量の関係となるので、新たな系統連系システムを設置する場合に、柱上トランスの容量が、直流電源の総容量に対して余裕がある状態であっても、電力変換装置の総容量を超えるときには、柱上トランス容量の増強もしくは、柱上トランスの増設を行なわなければならなくなる。つまり、連系されるシステムの実質的な容量に対して余裕がある場合であっても設備の増強を迫られることに繋がる。また、一般に、増強により発生する費用は、電力会社もしくはシステムの使用者（ユーザー）が負担しなければならないため、発電電力量を多くしようとすると、経費・工数が発生するという問題が生じる。
【００１１】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、すなわち、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の電力変換装置は、前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の定格電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の他の電力変換装置は、前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の実際に出力した電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、外部からの入力を可能とする手動設定入力手段と、上記手動設定入力手段により入力された設定値を保存する設定値保存手段と、上記設定値保存手段に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、手動で入力した設定値により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を変更できるようになり、任意の容量で系統連系システムを動作させることができ、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、上記電力変換装置の出力情報を検出する出力情報検出手段と、上記出力情報検出手段より検出した出力情報の最大値更新の判定を行なう出力最大値判定手段と、上記出力最大値判定手段により判定した出力最大値の情報を保存する設定値保存手段と、上記設定値保存手段に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、出力最大値を検出、更新する値により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を自動的に変更できるようになり、系統連系システムの容量に関する初期設定が不要であり、複雑なシステムの状況を作業者側が把握しなくともよい電力変換装置及びそれを用いた系統連系システム、また、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、上記電力変換装置の出力情報を検出する出力情報検出手段と、上記出力情報検出手段から入力された情報から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、検出した出力情報により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を随時自動的に変更できるようになり、系統連系システムの容量に関する初期設定が不要、かつ出力最大値の更新の監視が不要であり、複雑なシステムの状況を作業者側が把握しなくともよい電力変換装置及びそれを用いた系統連系システム、また、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る第一の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、系統連系システムＳは、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置２および柱上トランス３１を介して、低圧配電線３に接続されて成る。
【００２０】
電力変換装置２は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段２１と、外部からの入力（何の入力か？）を可能とする手動設定入力手段２５と、上記手動設定入力手段２５により入力された設定値を保存する設定値保存手段２４と、上記設定値保存手段２４に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段２３と、電力変換手段２１に対して制御指令を行なう制御指令手段２２とで構成される。
【００２１】
ここで、電力変換装置２は、手動で入力した設定値により、定格に依存する制御に関する指令値を変更できるようにして、系統連系させるようにしている。
【００２２】
そして、このように構成された電力変換装置２を、直流電源１と低圧配電線３および柱上トランス３１との間に設けて、低圧配電線３へ直流電源１からの電力を逆潮流させる系統連系システムＳを構築している。
【００２３】
以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。
【００２４】
電力変換装置２は太陽電池等の直流電源１から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、低圧配電線３側に出力する。
【００２５】
電力変換装置２は、起動時に設定値保存手段２４の情報を元に、指令値演算手段２３にて、電力変換装置２の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段２２に情報を出す。
【００２６】
電力変換手段２１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、制御指令手段２２からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。
【００２７】
尚、設定値保存手段２４に保存される情報は、系統連系システムＳの設置時などに、保護継電器など他の設定項目と同様に、直流電源１の容量に関する情報を設定しておく。
【００２８】
図４は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。
【００２９】
以下、図４に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置２の起動から停止するまでに、図４に示すフローを実行させる。
【００３０】
まず起動時にステップＡでは、出力容量の設定変更の有無の判定を行ない、設定変更が無ければ、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置２の出力容量に依存する設定値は、標準の初期設定値である定格値を設定し、通常制御処理に移行する。ステップＡにおいて、出力容量設定値に変更があった場合には、設定値保存手段２４に保存してある情報を読み出し、容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を１００％とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。
【００３１】
通常制御処理は繰り返し処理となっており、途中のステップＢでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップＢで、終了判定が満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なう。ステップＢにおいて、終了判定が満足した場合は、本フローを終了する。
【００３２】
次に、本発明に係る第二の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。
【００３３】
図２に示すように、系統連系システムＳ１は、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置２および柱上トランス３１を介して、低圧配電線３に接続されて成る。
【００３４】
電力変換装置２は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段２１と、上記電力変換手段２１の出力情報を検出する出力情報検出手段２６と、上記出力情報検出手段２６より検出した出力情報の最大値更新の判定を行なう出力最大値判定手段２７と、上記出力最大値判定手段２７により判定した出力最大値の情報を保存する設定値保存手段２４と、上記設定値保存手段２４に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段２３と、電力変換手段２１に対して制御指令を行なう制御指令手段２２とで構成される。ここで、電力変換装置２は、検出し、更新した出力最大値により、定格に依存する制御に関する指令値を自動的に変更できるようにして、系統連系させるようにしている。そして、このように構成された電力変換装置を、直流電源１と低圧配電線３および柱上トランス３１との間に設けて、低圧配電線３へ直流電源１からの電力を逆潮流させる系統連系システムＳ１を構築している。
【００３５】
以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。
【００３６】
電力変換装置２は太陽電池等の直流電源１から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、低圧配電線３側に出力する。
【００３７】
電力変換装置２は、起動時に設定値保存手段２４の情報を元に、指令値演算手段２３にて、電力変換装置２の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段２２に情報を出す。
【００３８】
電力変換部２１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、制御指令手段２２からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。
【００３９】
尚、通常動作中において、出力情報検出手段２６で検出した情報を元に最大出力判定手段２７にて、最大電力更新の監視を行ない、最大出力値を更新した場合に、最大値の更新を保存するとともに、指令値演算手段２３にて、電力変換装置２の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段２２に情報を出す
図５は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。
【００４０】
以下、図５に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置２の起動から停止するまでに、図５に示すフローを実行させる。
【００４１】
まず起動時に設定値保存手段２４に保存してある情報を読み出し、容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を１００％とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。通常、制御処理は繰り返し処理となっており、出力情報検出手段２６からの情報を元に出力電力の監視を行なう。ステップＣでは、出力電力の最大値更新の判定を行ない、最大値が更新された場合には、最大値更新情報を設定値保存手段２４に更新保存し、指令値演算手段２３にて、電力変換装置の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段２２に情報を出して、通常処理ループに戻る。ステップＣにおいて、出力電力が最大値を更新していない場合は、この処理をスキップして、通常処理ループに戻る。
【００４２】
その後、ステップＤでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップＤで、終了判定を満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なる。ステップＤにおいて、終了判定を満足した場合は、本フローを終了する。
【００４３】
次に、本発明に係る第三の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。
【００４４】
図３に示すように、系統連系システムＳ２は、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置である電力変換装置２および柱上トランス３１を介して、低圧配電線３に接続されて成る。
【００４５】
電力変換装置２は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段２１と、上記電力変換手段２１の出力情報を検出する出力情報検出手段２６と、上記出力情報検出手段２６から入力された情報から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段２３と、電力変換手段２１に対して制御指令を行なう制御指令手段２２とで構成される。ここで、電力変換装置２は、検出した出力情報により、定格に依存する制御に関する指令値を随時自動的に変更できるようにしている。そして、このように構成された電力変換装置２を、直流電源１と低圧配電線３および柱上トランス３１との間に設けて、低圧配電線３へ直流電源１からの電力を逆潮流させる系統連系システムＳ１を構築している。
【００４６】
以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。
【００４７】
電力変換装置２は太陽電池等の直流電源１から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、低圧配電線３側に出力する。
【００４８】
電力変換装置２は、通常動作中において、出力情報検出手段２６で検出した情報を元に、随時、指令値演算手段２３にて、電力変換装置２の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段２２に情報を出す。
【００４９】
電力変換部２１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、制御指令手段２２からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。
【００５０】
図６は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。
【００５１】
以下、図６に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置２の起動から停止するまでに、図６に示すフローを実行させる。
【００５２】
まず起動時に直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値は、標準の初期設定値である定格値を設定し、通常制御処理に移行する。
【００５３】
通常制御処理は繰り返し処理となっており、出力情報検出手段２６からの情報を元に、容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を１００％とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の２出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。
【００５４】
その後、ステップＥでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップＥで、終了判定を満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なる。ステップＥにおいて、終了判定を満足した場合は、本フローを終了する。
【００５５】
このようにすることにより、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。
【００５６】
なお、本実施形態の説明として、手動設定入力手段・出力情報検出手段の説明を行なっているが、本発明専用のものを用意する必要は無く、例えば、手動設定入力手段では、保護継電器設定用のキーや表示手段などの設定機構で代用したり、出力情報検出手段では、インバータ制御用の情報検出手段で代用させてもよい。その場合は、各情報を設定値保存手段・指令値演算手段に受け渡すことで同様の結果が得られるので、本発明の適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る系統連系システムの第一の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図２】本発明に係る系統連系システムの第二の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図３】本発明に係る系統連系システムの第三の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図４】第一の本実施形態にかかわる設定値の決定方法を示すフローチャートである。
【図５】第二の本実施形態にかかわる設定値の判定方法を示すフローチャートである。
【図６】第三の本実施形態にかかわる設定値の判定方法を示すフローチャートである。
【図７】従来の系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、直流分流出の様子を説明する説明図であり、（ａ）は通常の商用電源の電流波形、（ｂ）は直流分流出時の電流波形である。
【符号の説明】
【００５８】
１：直流電源
２：電力変換装置
３：低圧配電線
４：負荷
５：電力変換装置
２１：電力変換手段
２２：制御指令手段
２３：指令値演算手段
２４：設定値保存手段
２５：手動設定入力手段
２６：出力情報検出手段
２７：出力最大値判定手段
３１：柱上トランス
Ｊ：系統連系システム
Ｓ：系統連系システム
Ｓ１：系統連系システム
Ｓ２：系統連系システム
【図１】
2006311652.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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